医学信号数据采集系统设计.ppt

1、数字医疗仪器，第二章，医学信号数据采集系统的设计，这是医学信号数字化的基础。人体的各种物理量，如生物电位、心音、体温、血压、血流量、肌电图、脑电图、神经传导速度等。被各种传感器转换成电信号，并且模拟电压或电流通过信号检测和预处理电路(例如放大、滤波、干扰抑制和多路复用)被发送到模型。同样，微处理器处理的数据通常需要通过数模转换器和自适应接口转换成模拟数据，如图2-1所示。模拟输入/输出通道示意图、模数转换器及其接口统称为模拟输入通道；数模转换器和相应的接口称为模拟输出通道。2.1模拟输入通道2 . 1 . 1 A/D转换器概述，1概述A/D转换器是一种将模拟量转换为数字量的装置，一般指电压、电

2、流、时间等参数，但通常情况下，模拟量指电压参数。在模数转换过程中，通常要完成采样、量化和编码。1、被采样的模拟信号是连续的，可以看作是无限个瞬时值，而模数转换和计算机处理需要一定的时间，所以不可能把每个瞬时值都转换成数字量。在连续变化的模拟量上，必须根据周期采样的规律取出一些瞬时值来表示模拟量。这个过程就是取样。采样由采样保持电路实现。在控制脉冲s(t)的控制下，采样器(电子模拟开关)周期性地将随时间连续变化的模拟信号f(t)转换成离散的模拟信号fs(t)。输入信号f(t)仅在采样时刻被允许通过采样器，而在其他时间被断开。采样器的输出fS(t)是一系列窄脉冲，脉冲包络与输入信号相同。图2-2采

3、样器输入输出波形，输出信号能真实反映原始输入信号吗？在相应的瞬时值上，采样信号fs(t)的值与原始输入信号f(t)的值相同，因此采样信号在幅度上仍然是连续的。可以证明，当采样器的采样频率fs高于或至少等于输入信号的最高频率fm的两倍时(即当fs为2fm时)，采样输出信号fs(t)(采样器脉冲序列)可以表示或恢复为输入模拟信号f(t)，这就是采样定理。如何知道输入信号f(t)的频率，尤其是它的最高频率fm？信号的“最高频率”是指频谱分析后输入信号的最高频率成分。“恢复”是指采样序列fS(t)通过截止频率为fm的理想低通滤波器后获得的原始信号f(t)。在应用中，采样频率fs通常取最高频率fm的48

4、倍。简单模拟信号的频谱范围是已知的，例如温度低于1Hz，声音在20Hz和20Hz20000Hz。复信号应通过傅里叶变换计算或通过频谱分析仪测量，也可通过实验选择最合适的fs。量化，即所谓的量化，是用一定的量化单位将数值连续的模拟量转换成数值离散的阶跃量的过程。量化相当于只取近似整数商的除法运算。量化单位用q表示，模拟量小于1 q的部分可以通过舍入来量化，通常通过“舍入”来量化，以减少误差。这种量化方法的输入和输出特性如图2-3所示。虚线表示量化单位为0时的特性，实线表示实际特性。图2-3量化特性和量化误差，量化过程中的舍入误差是量化误差。量化误差表示为=x(t)-y(t)，量化误差为正或负(图

5、2-3(c)，最大q/2和平均误差为0。最大误差随量化单位而变化，q越小，误差越小。3、编码，编码经常涉及模数转换的具体应用。如果考虑双极性信号，可以采用补码法。两个模数转换器的技术规格1分辨率，模数转换器的分辨率：转换器区分例如，ADC0809转换器的分辨率为8位，这意味着输入模拟量可以用28个二进制数量化，其分辨率为1LSB(最低有效位值)。如果最大允许输入电压为10V，则1LSB=10V/28=39.06毫伏，2。转换精度，反映实际模数转换器和理想模数转换器的量化值之间的差异。用绝对或相对误差表示(1)绝对精度是指在模数输出端产生给定数字代码时，实际要求的模拟输入值和理论要求的模拟输入值

6、之间的差值(中间模拟值)。(2)相对精度是指在模数满量程值校准后，实际模拟输入值(中间值)与对应于任何数字输出的理论值(中间值)之间的差值。3转换率，转换率：指模数转换器每秒可以完成的转换次数。这个指标也可以表示为转换时间，即模数转换从开始到结束所需的时间，两者互为倒数。例如，如果模数转换器的转换速率为5千赫，其转换时间为200秒，4。满量程范围，满量程范围：指模数转换器的允许输入电压范围，如(05)伏、(010)伏、(-5 5)伏等。满量程只是一个标称值，实际模数转换器的最大输入值总是比满量程小1/2n(n是转换器的位数)。这是因为0值也是2n个转换器状态之一。例如，12位模数转换器的满量程值为10V，而实际最大允许输入电压值为： 10V * 212-1/212=9.9976V.模数转换器有三种类型：逐次逼近型、积分型和并行型。逐次逼近式：的转换时间和精度适中，一般在1100秒至0.1%之间。它适用于一般场合。积分：的转换时间一般为毫秒级。适用于精度高但转换速度慢的仪器。Parallel :采用并行比较，其转换速率可以很高，转换时间可以达到ns级，因此可以用于医学图像处理等转换速度快的仪器中。2.1.2逐次逼近型模数转换器的逐次逼近型模数转换原理概述，N位逐次逼近型模数转换器(图2-4)由N位寄存器、N位数模转换器、比较器、逻辑控制电路和输出缓冲器组成。工作